當(dang)流體流過阻擋(dang)體時會在阻擋(dang)體的兩側交替(tì)産生旋渦，這種(zhong)🎯現象稱爲卡門(mén)渦街。20世紀60年代(dai)日本橫河公💋司(si)首先利用卡門(mén)渦街現象研制(zhi)出渦街流量計(jì)，此後✌️渦街流量(liàng)計由于其諸多(duo)優點得以在工(gong)業領域廣泛應(ying)用[1]。      

    在單相流體(tǐ)介質條件下對(duì)渦街流量計的(de)研究相對👄比較(jiào)🙇‍♀️成熟，研究者通(tōng)過試驗的方法(fǎ)得到了大量有(you)價值的試驗結(jie)果，并應用到渦(wo)街流量計的開(kai)發中，使得渦街(jie)流♋量計的測量(liang)精度、可靠性得(dé)到了很🌂大的提(ti)高[2，3]。工業測量㊙️中(zhong)經常會有這樣(yàng)的情況出現：液(ye)體管道中有時(shi)會混入少量的(de)氣體🐪，被測流質(zhi)變👈成了氣液兩(liang)相流。由于氣液(yè)兩相流的複雜(za)性，研究這種條(tiáo)件下渦街👈流量(liàng)計😘測量特性的(de)文章不多。西安(ān)交通大學的李(li)永光[4-6]曾經在氣(qì)液兩🌈相流的豎(shù)直管道上，對不(bú)同形狀的渦街(jiē)發生體進行了(le)研🔴究，對不同截(jie)面含氣率下渦(wō)街的結構以及(jí)斯特勞哈爾數(shu)的變化進行了(le)大量的試驗研(yan)究，并給出了斯(sī)特勞哈🔞爾數随(suí)截面含氣率而(ér)變化的公式。李(lǐ)永光的工作主(zhǔ)要是從流體力(li)學的角度對氣(qi)液兩相流中渦(wo)街現象的機理(lǐ)進行了研究，其(qí)給🌏出的試驗結(jié)果涉及到截面(mian)含氣率的測量(liàng)[4]。本文通過試驗(yàn)從測量的角度(du)，研究了水平管(guǎn)道中含有少量(liàng)氣體的液體條(tiáo)件下渦街流量(liàng)計測量結果的(de)變化情況🙇🏻，并且(qiě)測量結果分别(bié)用譜分析和脈(mò)沖計數兩種測(cè)量方式✌️得到，通(tōng)過比較發現在(zài)液含🥵氣流體條(tiáo)件下譜分析🙇‍♀️要(yào)明顯優于脈沖(chong)計數的方式。

    1　試(shì)驗裝置與試驗(yàn)方法

    1.1　試驗裝置(zhì)

    試驗介質由已(yǐ)測定流量的水(shui)和空氣組成，分(fèn)别送入管道🛀混(hun)和成氣液兩相(xiàng)流送入試驗管(guan)段。試驗裝置如(ru)圖1所示。試驗裝(zhuāng)置由空氣壓縮(suo)機、儲氣罐、蓄水(shuǐ)罐、分離罐、流量(liang)計、壓力變送器(qi)、溫度變☂️送器、工(gong)控機和各種閥(fa)門組成。

    空氣壓(ya)縮機将空氣壓(ya)縮後送入儲氣(qì)罐，标準流量計(ji)1計量氣液👈混合(hé)前儲氣罐送入(ru)管道的氣體流(liú)量。蓄水罐距離(lí)地面30m，提供試驗(yàn)所需的液相，其(qí)流量由标準流(liu)量計2測得。液相(xiàng)和氣相🏃🏻‍♂️經混和(hé)器混和後送入(ru)試驗管段，zui後流(liú)入分離罐将❄️水(shuǐ)和空氣✊進行分(fèn)離，空氣由放氣(qì)🐪閥排出，水由水(shui)泵送回蓄水罐(guan)循環使用。工控(kòng)機對所有儀表(biao)數據進行采集(jí)和顯示并對兩(liang)個電動調節閥(fa)進行控制，調節(jiē)氣相和液相的(de)流量。

    試驗所用(yòng)的渦街流量計(jì)選擇了一台應(ying)用zui多的壓🎯電式(shì)渦街流量傳感(gǎn)器，其口徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦街傳感(gan)器放🧑🏾‍🤝‍🧑🏼置在水平(ping)直管段上，其上(shàng)下遊直管段長(zhang)度分别爲30D和20D。壓(yā)力變送器和溫(wēn)度變送器分别(bié)放在渦街流量(liang)傳感器上遊1D和(he)下遊10D的位置，混(hùn)和器安裝在渦(wō)街流量計上遊(yóu)30D的位置。

圖1 氣液兩相(xiang)流試驗裝置

    1.2 試(shi)驗方法    

    通過流(liu)量計2的測量和(he)調節電動閥2，水(shui)的流量取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值。通過電(diàn)動閥1控制，流量(liang)計1顯示空氣注(zhu)💋入🌈量的範圍爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(yīng)用的渦街流量(liang)計大部分是脈(mo)沖輸出，即将旋(xuán)渦信号轉化爲(wei)脈沖信号，通過(guo)對脈沖信号計(ji)數計算出旋渦(wō)脫落的頻率。脈(mo)沖輸出的渦街(jiē)流量計主要的(de)缺點是易受噪(zào)聲幹擾，對于小(xiǎo)流量來說由于(yú)信号微弱難以(yǐ)與噪聲區别。近(jìn)幾年随着數字(zì)信号處理技術(shu)的發展，出現了(le)以DSP爲核心，具有(you)譜分析功能的(de)渦街流量計，這(zhè)種方法提高了(le)對微弱渦街頻(pin)率信号的識别(bie)[7-8]。考慮到這兩種(zhong)不同類型渦街(jie)流量計在工業(yè)現場使用，試驗(yan)中同時用譜分(fen)析方法和📐脈沖(chòng)計數方♍法對渦(wo)街頻率進行計(jì)🧡算，并對兩種方(fang)法進行了比較(jiao)。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程(chéng)圖如圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對A點🍓的(de)模拟信号進行(háng)采樣，每次采樣(yàng)10組數據，每組數(shù)據有5×10⁴ 個采樣點(dian)，将得到的采樣(yàng)點進行傅裏葉(yè)變換得到不👉同(tóng)測量點渦街産(chǎn)生的頻率，同時(shi)通過脈沖計數(shu)的方法對B點采(cai)樣。

圖(tu)2 渦街流量計電(diàn)路框圖

    2 渦街流(liú)量計的标定

    将(jiāng)渦街流量計在(zài)标準水裝置上(shàng)，分别用頻譜分(fèn)析和脈沖🌈計數(shu)的方法進行标(biao)定，流體介質爲(wèi)水未加氣體，采(cai)用的标準傳感(gǎn)器爲精度等級(jí)爲0.2級的電磁流(liu)量計。在每個流(liú)量測量點上的(de)儀表系數用公(gōng)式（1）計算，然後用(yòng)式（2）計算得到zui終(zhōng)儀表系數K。Q_l 爲被(bèi)測水的流量值(zhí)，f爲每一個流量(liàng)點得到的頻率(lǜ)🤞，k爲每個測量點(dian)得到的儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别爲試驗(yàn)流量範圍内得(dé)到的zui大與zui小的(de)儀表系數。儀表(biǎo)系數🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的線性度(du)E₁ 用式（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計數兩(liang)種不同方法計(jì)算出的渦街流(liú)量計☎️儀表🈲系數(shu)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(de)到的儀表系數(shu)線性度分别爲(wei)：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xi)數随水流量值(zhi)變化的曲線，可(kě)以看出，在試驗(yan)所💚選流量範圍(wéi)内，儀表系數近(jin)似于一個常數(shù)，頻譜分析的結(jie)果與脈沖計數(shù)🆚所得到的試驗(yan)🍓結果差别不大(dà)，之間的💜誤差範(fàn)圍爲0.109%～0.688%。可見被測(ce)介質全部爲水(shui)時兩種測量方(fang)法并沒有明顯(xiǎn)的區别。

圖3　渦街流量(liang)計儀表系數

    3　渦(wō)街信号分析

    試(shì)驗發現，氣相的(de)加入對渦街流(liu)量計測量的影(ying)響顯著🥰，譜分析(xī)和脈沖計數兩(liang)種方法随着氣(qi)相注入的增加(jiā)其♻️表現也不同(tong)。圖🎯4反映了水流(liu)量12m³ /h時，注入不同(tong)氣含率β時A點的(de)模拟信号，如圖(tú)4（a～c）所示；經譜分⛹🏻‍♀️析(xī)⚽後得到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所示；用(yong)脈沖計數方法(fa)得到的脈沖☔信(xin)号📱，如圖4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注入氣(qi)量不大時，對渦(wo)街流量計的影(yǐng)響不大，無論是(shi)譜分析👌結果還(hai)是脈沖計數得(de)到的結果都比(bi)較好。當注入的(de)氣量進一步增(zēng)加時，渦街原始(shǐ)信号強度和穩(wěn)定🐪性逐漸變差(cha)，渦街頻率信号(hao)會被幹擾信号(hào)所淹沒，反映到(dào)譜分析圖是，渦(wo)街頻率的譜✊能(neng)量減小，幹擾信(xìn)号的譜能量加(jiā)強💞；對于脈沖信(xin)号，會❌因爲一些(xie)旋🏃‍♀️渦信号減弱(ruo)，形成脈沖🐪缺失(shī)現象，而不能真(zhen)實地反映渦街(jie)産生的頻率。

    表1反映(yìng)了不同流量點(diǎn)Q_l 下，随着注氣量(liàng)Qg的增加，渦街發(fā)生頻率fs和fc的變(biàn)化情🈲況。結果顯(xiǎn)示💁，對于不同的(de)水流量，當注入(rù)的氣體流量增(zeng)加到一定範圍(wei)時，不能再檢測(cè)到渦街信号；在(zài)一定水流量下(xià)，随着注氣量的(de)增加譜分析得(de)到的頻率值會(huì)變大，這是由于(yu)總的體積流量(liang)增加了，而脈沖(chòng)計數法則由于(yú)産生脈沖缺失(shi)現象所得到的(de)頻率值減小⭐。因(yīn)此在氣液兩相(xiàng)流下，譜分析比(bǐ)脈沖計數法有(yǒu)優勢，它能在較(jiao)高的含氣量依(yī)然能檢測👉到旋(xuán)渦脫落的頻率(lǜ)🏃‍♀️。

圖4 不(bú)同注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦街流量(liàng)計的誤差分析(xī)

    将試驗數據進(jìn)行處理，得到了(le)渦街流量計測(cè)量誤差随🔞氣相(xiàng)含率變化的情(qing)況，如圖5所示。其(qí)中δs爲譜分🧑🏽‍🤝‍🧑🏻析方(fāng)法的測量誤差(chà)，δc爲脈沖計數方(fang)法的測量誤差(cha)。渦街流量計的(de)測量誤差用式(shi)（4）來計算🐕。其中Qs爲(wèi)裝置中标準表(biǎo)測量出的🔞管道(dao)總流量，Qt爲試驗(yan)🈲管段中渦🍓街流(liú)量計的測量值(zhí)。将譜分析和脈(mò)沖計數得到的(de)頻率值和儀表(biǎo)系數分别代入(rù)✊式（5）計算Qt值。從圖(tu)中可以看出氣(qì)相含率的增加(jiā)兩種測量方法(fa)得到的誤㊙️差并(bìng)不相同。當含氣(qi)率不高時，0<β<6%，譜分(fen)析法的平均誤(wu)💛差爲1.226%，zui大誤✨差爲(wèi)2.687%，脈沖計數法的(de)🏃🏻‍♂️平均誤差爲1.583%，zui大(dà)誤差🤟爲2.898%，因此譜(pǔ)分析法與脈沖(chòng)計數法的測量(liàng)誤差區别不大(dà)，譜分析沒有明(míng)顯的優勢；在氣(qì)相含率進一步(bu)增加時，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤差爲14.058%，脈(mò)沖計數法的平(ping)👈均誤差爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈沖計⭐數(shu)的方法得到的(de)測量誤差遠大(da)✏️于譜分析方法(fa)‼️。

    含氣液體測量(liàng)誤差産生的主(zhu)要原因是：在氣(qi)液兩相流動中(zhōng)，由于氣泡對旋(xuán)渦發生體的撞(zhuang)擊作用，氣泡對(dui)邊界層和旋渦(wo)脫落的影響，以(yǐ)及旋渦吸入氣(qì)泡使其🔞強度減(jiǎn)💋弱，使旋渦脈沖(chong)數缺失，缺失的(de)旋渦數不穩定(dìng)，使脈沖計數方(fāng)法測量的誤差(cha)增大，而譜分析(xi)的方法在一段(duàn)時域🌈内得到主(zhǔ)頻🐉譜作爲渦街(jie)💋頻率值，減小了(le)旋渦缺失對測(ce)量的影響。所以(yi)含氣液體流體(tǐ)計量中譜分析(xī)方法要好于脈(mo)沖計數的方法(fǎ)。

圖5　不同氣(qì)相含率下渦街(jie)流量計的測量(liang)誤差

    5　結束語

    從(cong)試驗結果來看(kan)，渦街流量計在(zai)測量混有少量(liàng)氣體✌️的液體流(liu)❌量時，測量誤差(cha)會顯著增加。之(zhī)所以會出現這(zhe)樣的情況，一方(fāng)面，氣體在液體(ti)中會形成氣🏃泡(pào)，在旋渦發生體(tǐ)的後部形成氣(qì)團，并且旋渦中(zhong)心會出現一個(gè)低壓區，吸入大(dà)量質量較輕的(de)氣泡，從🏒而削弱(ruo)了旋渦的能量(liàng)，使壓電傳感器(qi)檢測不到旋渦(wō)，導緻檢測過程(chéng)中脈沖缺失現(xian)象出現；另一方(fāng)面，由于旋渦的(de)能量降低，會增(zēng)加流場🌈本身對(duì)旋渦脫落的擾(rǎo)動，進一步增加(jia)了測量的誤差(cha)。其它方面，旋渦(wo)發生體後的氣(qì)團，旋渦中心區(qū)氣泡的含量、旋(xuán)渦外的氣泡量(liàng)、氣泡的大小等(děng)等都會影響測(ce)量的結果。

    通過(guo)上述的試驗結(jie)果及分析表明(ming)，單相液體中混(hun)入少量的氣體(ti)時會導緻渦街(jie)旋渦強度變弱(ruo)和可靠性變差(cha)，在這種條件下(xia)測量時譜分析(xī)的方法在氣含(han)率不大時👈（0<β<6%）與脈(mo)沖🔴計數的方法(fǎ)差别不大，但随(sui)着氣含率的進(jìn)一步增加（6%<β<14%），譜分(fèn)析的方法要好(hǎo)于脈沖計數的(de)方法。

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